磁控溅射法制备CeO2/TiO2复合薄膜的微结构与性能

论文摘要

二氧化钛薄膜是一种重要的光学功能薄膜，它有着独特的光学、电学等物理性能及优良的化学稳定性，在新型太阳能电池、微电子工业、光学器件和各种传感器等领域具有广阔的应用前景。本文以纯度为99.9％的TiO2纳米粉体和99.99％的CeO2粉体为原料，采用射频溅射法在硬质衬底（普通玻璃）和柔性衬底（对苯甲酸乙二醇酯，简称PET；聚酰亚胺，简称PI）上成功制备了CeO2／TiO2复合薄膜。利用X射线衍射仪（XRD）、能谱仪（EDS）、扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）和UV—VIS分光光度计等现代分析手段研究了溅射参数和后处理工艺对复合薄膜的相组成、表面和界面微结构的影响规律，并测试了复合薄膜的光学性能，分析了复合薄膜的生长机制和透光机制。实验结果表明：用射频磁控溅射技术能够制备厚度均匀的PET基CeO2／TiO2薄膜，溅射时间的延长和溅射功率的增加均使薄膜的厚度增加，而溅射压强的增大会使薄膜的厚度略有减小，随着靶基距的增加厚度先增加后减小。X射线衍射分析得出，在玻璃衬底上制备的溅射态薄膜为结晶态，而在PET和PI上制备的溅射态薄膜为非晶态，对PET基薄膜在150℃退火处理12h后，薄膜为结晶态，XRD图中仅出现了锐钛矿型TiO2的衍射峰，且以（101）晶面择优生长，没有出现与氧化铈对应的特征峰。SEM和AFM分析发现，薄膜致密、规则、无裂纹产生；溅射工艺参数对薄膜的表面形貌有很大的影响，溅射态的薄膜在SEM下观察不到有晶粒出现，而用AFM能观察到薄膜中有细小的颗粒，随后在150℃条件下对薄膜退火处理12h时，发现薄膜中出现了许多晶粒，形状近似球形，晶粒尺寸趋于均匀，直径约120nm。对不同溅射功率下制备的CeO2／TiO2薄膜用划痕法测量其附着力，测得在玻璃基底上制备的薄膜的附着力随着溅射功率的增加而增加，当溅射功率为100W时附着力为61.95±1.23N。在PET衬底上制备的薄膜经多次弯曲折叠无裂纹产生，用透明胶布多次粘贴发现薄膜不脱落，说明薄膜与衬底结合牢固。薄膜的光学性能测试表明，在不同溅射条件下制备的CeO2/TiO2薄膜的透光率都较纯的TiO2薄膜低，这是因为Ce以Ce-O形式存在，有利于光的吸收。复合薄膜的吸收边波长和截止波长与纯TiO2相比增加明显，并随Ce含量的提高而增加。薄膜的厚度和表面粗糙度对薄膜的透光率有很大的影响。CeO2／TiO2，TiO2薄膜的光能跃迁为间接跃迁形式，通过对薄膜的间接光学带隙的计算分析，Eg（CeO2／TiO2）＜Eg（TiO2）。掺杂10wt％CeO2可使二氧化钛薄膜的禁带宽度Eg从3.2eV减小到2.62±0.02eV，从而使光学吸收边从380nm红移到495nm，大大提高了对太阳光或可见光的利用率。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题意义
• 2薄膜的晶体结构和性质'>1.2 TiO₂薄膜的晶体结构和性质
• 2薄膜的应用'>1.3 TiO₂薄膜的应用
• 2薄膜在光电领域的应用'>1.3.1 TiO₂薄膜在光电领域的应用
• 1.3.2 在光催化领域的应用
• 1.3.3 在太阳能电池与水分解方面的应用
• 1.3.4 污水处理
• 1.3.5 空气净化
• 1.3.6 防雾及自清洁涂层
• 1.3.7 抗菌材料
• 1.3.8 在传感器方面的应用
• 1.3.9 其他用途
• 2薄膜的制备技术进展'>1.4 TiO₂薄膜的制备技术进展
• 1.4.1 化学气相沉积法（CVD）
• 1.4.2 溶胶一凝胶法（Sol一Gel）
• 1.4.3 脉冲激光沉积（PLD）
• 1.4.4 液相沉积法
• 1.4.5 离子自组装技术（ISAM）
• 1.4.6 溅射法
• 2薄膜的研究现状'>1.5 柔性衬底上制备的TiO₂薄膜的研究现状
• 1.6 本论文主要研究内容
• 2及CeO₂/TiO₂复合靶材的制备'>第二章 TiO₂及CeO₂/TiO₂复合靶材的制备
• 2/CeO₂复合粉体的预处理'>2.1 TiO₂/CeO₂复合粉体的预处理
• 2.1.1 实验
• 2.1.2 实验结果
• 2系靶材的制备'>2.2 TiO₂系靶材的制备
• 2.2.1 实验试剂和实验设备
• 2/CeO2复合靶材制备工艺'>2.2.2 TiO₂/CeO2复合靶材制备工艺
• 2靶材制备工艺'>2.2.3 纯TiO₂靶材制备工艺
• 2.3 靶材的性能测试与分析
• 2.3.1 靶材物相分析
• 2.3.2 靶材致密度分析
• 2.3.3 靶材表面微观均匀性分析
• 2.4 本章小结
• 2/TiO₂复合薄膜'>第三章 射频磁控溅射法制备CeO₂/TiO₂复合薄膜
• 3.1 衬底的选择与预处理
• 3.1.1 衬底的选取
• 3.1.2 衬底的表面处理
• 2薄膜和CeO₂/TiO₂复合薄膜'>3.2 磁控溅射制备纯TiO₂薄膜和CeO₂/TiO₂复合薄膜
• 3.2.1 基底和靶材溅射清洗
• 2/TiO₂复合薄膜的制备'>3.2.2 不同条件下CeO₂/TiO₂复合薄膜的制备
• 2薄膜的制备'>3.2.3 TiO₂薄膜的制备
• 3.3 薄膜的后处理工艺
• 3.4 薄膜的化学组成EDS分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 薄膜结合力和界面结合机制
• 4.1 薄膜结合力测试结果
• 4.2 薄膜的界面结合分析
• 4.2.1 薄膜与基体的界面形貌
• 4.2.2 复合薄膜的界面结合分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 复合薄膜的光学性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 薄膜透射率的分析
• 5.2.1 不同溅射功率制备薄膜的透射谱分析
• 5.2.2 不同掺杂比的薄膜透射谱分析
• 5.2.3 不同溅射压强下制备薄膜的透射谱分析
• 5.2.4 不同靶—基距下制备薄膜的透射谱分析
• 5.2.5 不同溅射时间制备的薄膜透射谱分析
• 5.2.6 不同退火处理时间下薄膜的透射谱分析
• 5.3 不同条件制备薄膜的光学能隙
• 5.3.1 不同溅射功率下薄膜的禁带宽度
• 2和TiO₂掺杂比下薄膜的禁带宽度'>5.3.2 不同CeO₂和TiO₂掺杂比下薄膜的禁带宽度
• 5.3.3 不同溅射时间下薄膜的禁带宽度
• 5.3.4 不同溅射压强下薄膜的禁带宽度
• 5.3.5 不同热处理时间下薄膜的禁带宽度
• 5.3.6 不同靶基距下薄膜的禁带宽度
• 5.4 本章小节
• 第六章 主要结论
• 第七章 展望
• 2薄膜的应用前景'>7.1 TiO₂薄膜的应用前景
• 7.2 本课题的后续研究工作
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文